قانون اول ترمودینامیک

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو

قانون اول ترمودینامیک که به عنوان قانون بقای کار و انرژی نیز شناخته می‌شود، می‌گوید که حالت تعادل ماکروسکوپی یک سیستم با کمیتی به نام انرژی درونی (U) بیان می‌شود. انرژی درونی دارای خاصیتی است که برای یک سیستم منزوی (ایزوله) داریم:

U=مقدار ثابت

اگر به سیستم اجازهٔ برهم‌کنش با محیط داده شود، سیستم از حالت ماکروسکوپی اولیهٔ خود به حالت ماکروسکوپی دیگری منتقل می‌شود که تغییر انرژی درونی را برای این تحول (فرآیند) می‌توان به شکل زیر نشان داد:

\Delta{U}=Q-W

که در این فرمول W، کار ماکروسکوپی انجام شده توسط سیستم در برابر نیروی خارجی و Q مقدار گرمای جذب شده توسط سیستم در طی این فرآیند است.

نمادگذاری[ویرایش]

شیمی و فیزیک[ویرایش]

چون در شیمی و فیزیک سیستم مورد توجه است، گرما و کاری که به سیستم داده می‌شود مورد نظر ماست و انرژی درونی را Q+W در نظر می‌گیریم. (سیستم را بسته، در حالت سکون و در غیاب میدان‌ها در نظر می‌گیریم)

\mathrm{d}U=\delta Q-\delta W\,

که در آن

\mathrm{d}U یک افزایش بی‌اندازه کوچک در انرژی درونی سیستم است،
\delta Q یک مقدار بی‌اندازه کوچک از گرما که به سیستم افزوده می‌شود،
\delta W یک کار بی‌اندازه کوچک که بر روی سیستم انجام می‌شود و
\delta نماد دیفرانسیل است.

در واقع تعریف قانون اول چنین است : اگر به سیستمی گرما داده شود و یا از آن گرما گرفته شود، انرژی درونی سیستم تغییر خواهد نمود که حاصل آن کار انجام شده توسط سیستم و یا کار مورد نیاز سیستم برای تغییر انرژی درونی خواهد بود .

تاریخچه


فرایند توسعه قانون اول ترمودینامیک از طریق آزمایش ازنوع سعی وخطا در طی یک دوره در حدود نیم قرن بود. اولین اظهارات کامل از قانون در سال 1850 توسط رودلف کلاوزیوس و ویلیام رانکین عنوان شد. ادعاهای رانکین شاید کاملا به واضح بودن و مشخص بودن بیانیه کلاوزیوس نبود. (1) یکی از جنبه های اصلی مبارزه برای مقابله با نظریه کالری بود که قبلا ارائه شده بود به عنوان " گرما". ژرمن هس در سال 1840 یک قانون حفاظت به اصطلاح 'گرمای واکنش' برای واکنش های شیمیایی اعلام کرد. (2) قانون او بعدها به عنوان یک نتیجه از قانون اول ترمودینامیک به رسمیت شناخته شد، اما بیانیه هس را به صراحت با رابطه بین مبادلات انرژی توسط گرما و کار مرتبط نبود. با توجه به Truesdell (1980)، ژولیوس رابرت فون مایر در سال 1841 بیانیه ای ساخت که بدان معنی است که "در یک فرایند در فشار ثابت، حرارت مورد استفاده برای تولید انبساط که عموما قابیل تبدیل با کار است"، اما این بیان کلی از قانون اول نبود. (3) (4)


بیانیه های اصلی  : "رویکرد ترمودینامیکی"


بیانیه های اصلی قرن نوزدهم درباره قانون اول ترمودینامیک در یک چارچوب مفهومی ظاهرشد که در آن انتقال انرژی به صورت گرما به عنوان یک مفهوم اولیه تعریف نشده.یا سازمان دهی شده توسط توسعه نظری دریک چارچوب معین بلکه به نظر می رسد، قبل از آن بوده و در حال حاضر پذیرفته شده است. مفهوم اولیه حرارت گرفته شده است ازیک تجربه ثابت، به ویژه از طریق گرماسنجی در نظر گرفته میشود به عنوان یک موضوع در حق خود، قبل از ترمودینامیک. اشتراک اولیه درباره مفهوم حرارت مفاهیمی ازقبیل دمای تجربی و تعادل گرمایی بود. این چارچوب یک مفهوم و فرض کلی نیست درباره انرژی، اما به عنوان مشتق شده و یا سنتزشده از مفاهیم قبل از گرما و کار است. توسط یک نویسنده این چارچوب به رویکرد "ترمودینامیکی" نامیده شده است. (5) اولین بیانیه صریح و روشن از قانون اول ترمودینامیک، توسط رودلف کلاوزیوس در سال 1850، به فرآیندهای ترمودینامیکی چرخه نامیده می شود. در تمام مواردی کاری با آژانس به واسطه حرارت تولید شده، یک مقدار از گرما مصرف شده که متناسب با کار انجام شده. و برعکس، با مصرف یک مقدار برابر از کار مقدار مساوی از حرارت تولید می شود. [6] کلاوزیوس همچنین قانونی در شکل دیگری بیان کرد، با اشاره به وجود یک تابع از حالت سیستم، انرژی داخلی، و بیان کرد ان را به عنوان یک معادله دیفرانسیل برای افزایش یک فرایند ترمودینامیکی . (7) این معادله ممکن است شرح داده شده بهصورت زیر: در یک فرایند ترمودینامیکی شامل یک سیستم بسته، افزایش در انرژی داخلی به تفاوت بین گرمای انباشته شده توسط سیستم و کار انجام شده توسط آن وابسته است. مفهوم انرژی داخلی توسط Bailyn ملاحظه شد که بتواند "سود بزرگی " به حساب اید. مقدار آن نمی تواند بلافاصله اندازه گیری شود، اما تنها می توان استنباط کرد به وسیله تفاضل اندازه گیری واقعی فوری(تفاضل حالت اولیه ونهایی)

Bailyn آن را تشبیه کردبه موقعیت های انرژی یک اتم، که توسط رابطه انرژی بور ‘ hν = En ' ' − En نشان داد شد' - (در هر مورد، کمیت غیرقابل اندازه گیری )انرژی داخلی، سطح انرژی اتمی( با در نظر گرفتن تفاوت از مقادیر اندازه گیری شده نشان داد )افزایش انرژی داخلی، مقدار ساطع یا جذب انرژی تابشی. (8)


نسخه مفهومی: "رویکرد مکانیکی"


در سال 1907، جورج اچ برایان نوشت: در مورد سیستم های که در بینشان انتقال ماده وجود ندارد( سیستم بسته).

تعریف: هنگامی که انرژی جریان میابد از یک سیستم و یا بخشی از یک سیستم ، در غیر این صورت نسبت به عملکرد کار مکانیکی، بنابراین انرژی انتقال یافته می شود گرما. "(9) تا حد زیادی از طریق نفوذ ماکس بورن، (10) در قرن بیستم، نسبت به رویکرد مفهومی تجدید نظر شدو در تعریف گرما آمد و توسط بسیاری از نویسندگان، از جمله کنستانتین کاراتئودوری ترجیح داده شد. این ممکن است به نام "رویکرد مکانیکی نامیده شود". (11) این رویکرد را به عنوان مفهوم ابتدایی انرژی انتقال یافته و به عنوان کار تعریف شده توسط مکانیک منتقل شده است. از این رو، مفاهیم انتقال انرژی به صورت گرما برگرفته میشود، و دما، به عنوان تحولات نظری است. این مورد گرماسنجی به عنوان یک نظریه برگرفته شده است. این منشاء در اوایل قرن نوزدهم، به عنوان مثال در کار هلمهولتز، (12) بلکه در کار بسیاری دیگر. [5] برای این رویکرد، لازم است تا مطمئن شوید که اگر انتقال انرژی مرتبط با انتقال ماده وجود دارد ، سپس انتقال انرژی به غیر از انتقال از ماده که توسط یک مسیر جسمی جداگانه، و از انتقال انرژی توسط انتقال از ماده به طور مستقل تعریف و اندازه گیری میشود

با توجه به رویکرد مکانیکی، مفهومی بیانیه تجدید نظر


این بیانیه تجدید نظر قانون برگرفته شده است از مفاهیم کار مکانیکی بی دررو، و انتقال غیر آدیاباتیک از انرژی، به عنوان مفاهیم اولیه تجربی یا نظری . این در مفهوم اولیه از دیوار، به خصوص دیوارهای بی دررو استوار، پیش فرض به عنوان جسمی قرارگرفته اند. انرژی می تواند عبور مانند دیوار به عنوان تنها کار بی دررو ، برگشت پذیر یا برگشت ناپذیر. اگر انتقال انرژی به عنوان کار بین آنها مجاز نباشد، دو سیستم از هم جدا شده به وسبله دیوار آدیاباتیک می تواند به موقعیت داخلی مکانیکی مربوطه و تعادل ترمودینامیکی مواد به طور کامل مستقل از یکدیگر بیایند. (13) در این بیانیه تجدید نظر این طور بیان شده است:

برای یک سیستم بسته، در هر فرآیند خودسرانه فرعی که طول می کشد ازحالت اولیه به یک حالت نهایی تعادل ترمودینامیکی داخلی، تغییر انرژی درونی همان است که کار ادیاباتیک فرایند آن دوموقیت را مرتبط میکند. این است که بدون در نظر گرفتن راه روند بهره و صرف نظر از اینکه آن بی دررو یا یک فرایند غیر آدیاباتیک است. روند کار بی دررو مرجع ممکن است خودسرانه از میان کلاس از همه فرآیندهای انتخاب شده باشد. این بیانیه بسیار کمتر نزدیک به پایه های تجربی نسبت به اظهارات اصلی (14) است، اما اغلب به عنوان مفهومی صرفه جو است که آن تنها بر مفاهیم کار بی دررو و فرآیندهای غیر آدیاباتیک استوار است، نه بر مفاهیم انتقال انرژی که به صورت گرما و دمای تجربی که توسط اظهارات اصلی پیش فرض درنظرگرفته شده است. تا حد زیادی از طریق نفوذ ماکس بورن، آن است که اغلب به این دلیل به عنوان تئوری ترجیح داد میشود به وجود امده به طورمخصوص که بیان میکند که رویکرد تجدید نظر اجتناب فکر در مرحله ای از ان که که او "مهندسی وارداتی" را مفهوم موتورهای گرما می نامد. (10)

پایگاه تفکر خود را بر روی روش های مکانیکی، در سال 1921 به وجود امد، و دوباره در سال 1949، پیشنهاد شد به تجدید نظر در تعریف گرما. (10) (15) به طور خاص، او به کار کنستانتین کاراتئودوری، که در سال 1909 مراجعه کرده بود اظهار داشت اولین . قانون بدون تعریف مقدار حرارت (16) این تعریف به وجود امد به طور مخصوص برای انتقال انرژی بدون انتقال ماده ، و آن به طور گسترده ای تشریح شده در کتاب های درسی(به عنوان نمونه: (17)(18) [19مشاهدات به وجود امده ازاینکه انتقال ماده بین دو سیستم با یک انتقال انرژی داخلی است که نمی تواند به اجزای گرما و کار توجیه شود همراه است. می تواند مسیر به سیستم های دیگر، فضایی از آن انتقال ماده جداگانه، که اجازه می دهد گرما و کار مستقلانه انتقال یابند همزمان با انتقال ماده وجود دارد. انرژی در هرنقل و انتقال محفوظ میماند.

توصیف وبیان نتیجه


قانون اول ترمودینامیک برای یک سیستم بسته به دو روش توسط کلاوزیوس بیان شد. یکی از راه هایی که اشاره میکند به فرآیندهای چرخه ای و ورودی و خروجی از سیستم، اما به افزایش موقعیت های داخلی در سیستم اشاره نمی کند. راه دیگری که اشاره میکند به هر گونه تغییر تدریجی در موضع های داخلی از سیستم، و انتظار نمیرود روند چرخه ای داشته باشد. فرآیند چرخه ای که می تواند بی نهایت تکرار شود اغلب هنوز هم در ترک سیستم در حالت اصلی خود است.

در هر تکرار یک فرایند چرخه ای، کار انجام شده توسط سیستم متناسب با حرارت مصرف شده توسط سیستم است. در یک فرایند چرخه ای که در آن سیستم کار در اطراف آن انجام میشود، لازم است که برخی از گرما توسط سیستم گرفته شده و برخی را بیرون بدهد، و تفاوت در حرارت مصرف شده توسط سیستم در فرایند استیک . ثابت جهانی و مستقل از سیستم است و توسط جیمز ژول در سال 1845 و 1847، که از آن به عنوان معادل مکانیکی حرارت توصیف اندازه گیری شد. برای یک سیستم بسته، در هر فرآیند، تغییر در انرژی داخلی است که به علت ترکیبی از گرمای اضافه شده به سیستم و کار انجام شده توسط سیستم در نظر گرفته.میشود با توجه به تغییر در انرژی داخلی Δu میشود:

\Delta{U}=Q-W</center

که در آن مقدار حرارت محیط اطراف خود و کار انجام شده توسط سیستم در اطراف آن، به ترتیب به سیستم عرضه مشوند. این علامت ضمنی قراردادی در بیانیه ای کلاوزیوس 'از قانون داده شده در بالا است، و سازگار با استفاده از ترمودینامیک به مطالعه موتورهای گرما، که ارائه کار مفید است که به عنوان مثبت در نظر گرفته است قابل استفاده است. در سبک مدرن آموزش علم، با این حال، مرسوم به استفاده از قرارداد IUPAC است که توسط آن قانون اول از نظر کار انجام شده بر روی سیستم فرموله شده است. با استفاده از این قرارداد علامت جایگزین برای کار، قانون اول برای یک سیستم بسته ممکن است نوشته شده شود:(20)

\Delta{U}=Q+W</center


این کنوانسیون به شرح زیر فیزیکدانان مانند ماکس پلانک، (21) و تمام نقل و انتقالات خالص انرژی به سیستم به عنوان مثبت و تمام نقل و انتقالات انرژی خالص به بیرون سیستم به عنوان منفی ،بدون درنظرگرفتن هر گونه استفاده برای سیستم به عنوان یک موتور یا دستگاه دیگر، بدون در نظر گرفتن دیگراجزا

هنگامی که یک سیستم گسترش می یابد، در یک فرایند غیرواقعی، کار انجام شده توسط سیستم در مورد محیط زیست محصول، P dV ، فشار، P، و DV تغییر حجم، است، در حالی که کار انجام شده بر روی سیستم -P DV است. با استفاده از هر قرارداد علامت برای کار، تغییر در انرژی داخلی سیستم است:

\Delta{U}=Q-pDelta{V}</center

که در آن δQ نشان دهنده افزایش بینهایت کوچک از گرمای عرضه شده به سیستم از محیط اطراف آن است.

کار و گرما عباراتی هستند که برای فرآیندهای فیزیکی واقعی عرضه میشوند ویا حذف از انرژی هستند، در حالی که U انرژی داخلی انتزاع ریاضی نگه می دارد که حساب از تبادل انرژی است که گریبانگیر سیستم است. بنابراین گرما Q به معنی "آن مقدار از انرژی اضافه و یا حذف شده توسط هدایت گرمایی و یا تابش حرارتی است "، به جای مراجعه به شکلی از انرژی در سیستم. به همین ترتیب، پارامتر انرژی کار W به معنی "آن مقدار از انرژی به دست آورده شده و یا از دست داده شده و در نتیجه انجام کاراست ". انرژی داخلی یک ویژگی از سیستم است در حالی که کار انجام شده و گرمای عرضه شده ویژگی سیستم نیستند.نتیجه قابل توجهی از این تمایز این است که با توجه به انرژی داخلی ΔU تغییر انرژی داخلی در اصل زابطه بین کار وگرما وترکیب شدن این دو ومچنین تاثیراتی که برهم میگذارند را نشان میدهد.

جستارهای وابسته[ویرایش]

[۱]
  1. منابع 1. ^ Jump up to: a b Truesdell, C. A. (1980). 2. Jump up ^ Hess, H. (1840). "Thermochemische Untersuchungen". Annalen der Physik und Chemie 126 (6): 385–404. doi:10.1002/andp.18401260620. 3. Jump up ^ Truesdell, C. A. (1980), pp. 157–158. 4. Jump up ^ Mayer, Robert (1841). Paper: 'Remarks on the Forces of Nature"; as quoted in: Lehninger, A. (1971). Bioenergetics – the Molecular Basis of Biological Energy Transformations, 2nd. Ed. London: The Benjamin/Cummings Publishing Company. 5. ^ Jump up to: a b c Bailyn, M. (1994), p. 79. 6. Jump up ^ Clausius, R. (1850), page 373, translation here taken from Truesdell, C. A. (1980), pp. 188–189. 7. Jump up ^ Clausius, R. (1850), page 384, equation (IIa.). 8. Jump up ^ Bailyn, M. (1994), p. 80. 9. Jump up ^ Bryan, G. H. (1907), p.47. Also Bryan had written about this in the Enzyklopädie der Mathematischen Wissenschaften, volume 3, p. 81. Also in 1906 Jean Baptiste Perrin wrote about it in Bull. de la société français de philosophie, volume 6, p. 81. 10. ^ Jump up to: a b c Born, M. (1949), Lecture V, pp. 31–45. 11. Jump up ^ Bailyn, M. (1994), pp. 65, 79. 12. Jump up ^ Helmholtz, H. (1847). 13. Jump up ^ Bailyn, (1994), p. 82. 14. ^ Jump up to: a b Pippard, A. B. (1957/1966), p. 15. According to Herbert Callen, in his most widely cited text, Pippard's text gives a "scholarly and rigorous treatment"; see Callen, H. B. (1960/1985), p. 485. It is also recommended by Münster, A. (1970), p. 376. 15. ^ Jump up to: a b Born, M. (1921). "Kritische Betrachtungen zur traditionellen Darstellung der Thermodynamik". Physik. Zeitschr 22: 218–224. 16. ^ Jump up to: a b c d e Carathéodory, C. (1909). 17. ^ Jump up to: a b c Münster, A. (1970), pp. 23–24. 18. ^ Jump up to: a b Reif, F. (1965), p. 122. 19. ^ Jump up to: a b c Haase, R. (1971), pp. 24–25. 20. Jump up ^ Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry (IUPAC Green Book) See Sec. 2.11 Chemical Thermodynamics 21. Jump up ^ Planck, M. (1897/1903). Treatise on Thermodynamics, translated by A. Ogg, Longmans, Green & Co., London., p. 43